大型空分系統電控方案的優化

祁 星 潘梁偉 舒效偉 蔣 靜

（河南開元空分集團有限公司，河南 開封 475004）

1 概述

隨著大型空分的發展，電控設備的裝機容量越來越大，單機功率也相應增加，對于10kV系統，空壓機是主要設備，其功率也最大，一套30 000空分的空壓機功率可達到10 000kW以上，如此功率的電機啟動是個難題。為了減小空壓機啟動時對電網壓降的影響，一方面我們會盡量要求增加主變的容量，這意味著運行成本的增加；另外一方面電機采用軟啟動，盡量降低啟動電流，但是常規的啟動電流仍然很大，這樣就限制了主變的最小容量，造成成本的增加，同時運行時變壓器利用率低，無法達到經濟運行［1］。為此我們采用固態降補來解決這個問題。

大型空分的低壓配電系統的配置很困難，常規的電控系統為了保證空分設備的連續運行，通常我們低壓系統所采用的運行方式是單母線分段運行，當一路出現問題時另外一路能帶動所有負荷，實現連續運行［2］。但是，在大型空分中設備負荷較大，如果按照常規的配置變壓器的容量將會很大，但是在實際運行中負荷是均勻分布在兩段母線上的，這樣變壓器的利用率就會很低。為了解決這個問題，我們采取單母線三分段運行方式。

2 方案分析及應用

以我們曾經做過的重慶鋼鐵30 000 空分系統為例，高壓10kV系統空壓機功率為15 500kW，電機額定電流達1 004A，采用常規軟啟動器啟動電流至少為3 000A，為了保證啟動時所需要的轉矩，我們無法繼續降低啟動電流，否則無法滿足啟動轉矩，可能會造成啟動困難。

通過分析我們認為，電動機在啟動時功率因數極低，一般也就在0.3左右，這樣在啟動時需要消耗大量的無功功率，也就是說啟動電流中很大部分都是從電網中吸收的無功電流，這意味著啟動時電機的電流很大一部分是無功電流，于是我們考慮假如在啟動的時候適當在電機側進行無功補償，給電機提供無功電流，這樣電機就無需從電網吸收大量的無功電流，減小啟動的電流，從而達到降低主變容量的目的。固態降補正是這種原理的軟啟動裝置，它在降壓限流的同時，在電機側加入無功補償，大大降低了啟動電流，一般的電動機可達到2倍額定電流，大型電動機啟動電流可以達到1.5倍額定電流，如重慶鋼鐵三萬空分空壓機電機啟動電流采用此種啟動方式后啟動電流降為1 500A，與常規軟啟動的3 000A 啟動電流相比減少了一半，極大地降低了對電網的沖擊，大大降低了主變的容量，為業主節約了成本，提高了變壓器的利用率。

緊接著重慶國際10 000 空分系統由于主變容量極小，而原來啟動是采用水阻柜一拖一的啟動方式，兩臺空壓機只能開一臺，而且每次啟動空壓機都需要請求供電局上級并網啟動，為了解決這一問題業主委托我們進行改造，我們經過認真研究，結合實際情況，最后決定采用一拖二的方式，利用一套固態降補裝置供兩臺空壓機使用，解決了電網容量極小、啟動困難的難題，同時也節約了成本，受到業主的好評。

隨后固態降補裝置又在其他大型空分系統中廣泛應用，也取得了良好的效果。

由于空分系統主要為鋼廠或化工廠提供燃料或原料，這就要求設備的連續性很好，否則一旦停氣將會造成很大損失，所以一般采取單母線分段運行方式，當一路電源出現故障時另外一路帶全部負荷，保障設備的運行。但是對于大型空分，此種方案的低壓系統也需要進行優化。例如我們前面提到的重慶鋼鐵30 000 空分項目，設備總裝機容量為4 980kVA，按照常規配置至少需選用兩臺5 000kVA 的動力變壓器才能滿足當一路事故情況下，另一路帶全部負荷，這樣兩臺低壓變壓器總容量為10 000kVA，而實際負荷為4 980kVA，這就存在許多問題，首先，變壓器利用率僅為50%，利用率較低，不符合經濟運行方式的要求。變壓器消耗的無功功率一般約為其額定容量的10%～15%，它的空載無功功率約為滿載時的1/3，因而為了改善電力系統和企業的功率因數，變壓器不應空載或者長期處于低負載狀態。其次，變壓器低壓側額定電流也較大，達到將近10 000A，對于低壓進線柜開關以及低壓主母排的配置都很困難，無法滿足系統要求。

結合設備總負荷以及系統設備配置特點，我們分析：三萬空分系統主要低壓用電設備為電加熱器，三臺電加熱器兩用一備，單臺功率1 380kW，三臺總裝機功率達到了4 140kW，而低壓總容量為4 980kVA，電加熱器占到總負荷的80%，于是我們決定選用三臺2 500kVA的動力變壓器，低壓系統采用三段進線，三段之間采用兩個母聯互相連接，這樣其中任意兩臺變壓器都可以帶動低壓系統所有負荷，而在事故或檢修狀態下，只需切除故障段變壓器，另外兩臺變壓器仍然可以承擔配套裝置的全部負荷的要求。這樣，變壓器的總裝機容量就變為2500kVA，變壓器的利用率達到了85%以上，大大提高了變壓器的利用率。

3 方案優點

①高壓系統電機采用降補裝置啟動電流小，啟動時對電網沖擊小，同時也降低了對電網的要求，降低了主變的容量，節省了成本，同時也避免了浪費。

②低壓系統單臺變壓器容量較小，采用三段進線以后，低壓進線開關及低壓銅排都屬于常用規格型號，降低了成本，設計滿足國家標準要求。常規兩路進線：進線變壓器容量較大，母排選型大，安裝間距小，存在安全隱患。

③對于業主來說，三路進線的方式下變壓器的利用率提高，節約了成本，同時也降低了設備的能耗。

此種配電方案在以后的九江三萬空分系統以及其他大型空分系統中都得到廣泛的應用，且運行安全穩定，取得了良好的效果。

［1］黃明琪，李善奎，文方.工廠供電（修訂版）［M］.重慶：重慶大學出版社，2011.

［2］李發海.電機學（第四版）［M］.北京：科學出版社，2013.